Цианирование стали

Под цианированием стали понимают процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом. Азот способствует диффузии углерода и это дает возможность снизить температуру насыщения до 850...870^оС, а также длительность процесса до 4...10 часов.

Цианирование возможно проводить в твердых, жидкостных и газообразных средах, и, соответственно, различают твердое, жидкостное и газовое цианирование (последнее называют нитроцементацией).

Твердое цианирование выполняют в карбюризаторе, который содержит цианистые соли. Например, 30-40% К₄Fe (СN)₆ (желтая кровяная соль), 10%Nа₂СО₃ (сода), остальное – древесный уголь). Из-за малой производительности этот способ применяется очень редко.

Жидкостное цианирование проводят в расплавах цианистых солей NаСN, КСN, которые при распаде образуют атомарный углерод и азот, для насыщения стали.

Газовое цианирование проводят в смеси газов (аммиак, природный газ), которые диссоциируют с образованием активных атомов углерода и азота. Повышение температуры цианирования увеличивает содержание углерода в слое и уменьшает содержание азота.

Низкотемпературное цианирование проводят при 500…600^оС, высокотемпературное цианирование проводят при 800…950^оС с последующей закалкой и низким отпуском,

После низкотемпературного цианирования образуется карбонитридный слой толщиной 10…15 мкм, который имеет высокое сопротивление износу и менее хрупкий, по сравнению с цементованным и азотированным слоями. Под этим слоем лежит слой азотистого феррита (в легированных сталях твердость 600…1000 НV) глубиной 0,2…0,5 мм. Низкотемпературное цианирование используют для быстрорежущих, легированных и углеродистых сталей (последнее получило название «тенифер-процесс» и включает насыщение при 570^оС на протяжении 0,5…3 часов в смеси солей 40% KCN + 60% NaCH пропусканием сухого воздуха).

Высокотемпературное цианирование используют для средне- и низкоуглеродистых и легированных сталей и осуществляют в расплавах, содержащих до 50% NaCN, до 50% NaCl, до 20% Na₂СО₃. При температуре процесса 820…850^оС получают слои 0,15…0,35 мм за 30…90 мин. Для получения слоев толщиной 0,5…2,0 мм применяют цианирование при температуре 900…950^оС продолжительностью 1,5…6 чаовс. В первом случае осуществляют закалку сразу же, а во втором – детали охлаждают на воздухе, а затем осуществляют нагрев под закалку, при котором происходит перекристаллизация и измельчение зерна аустенита, которое вырастает из-за высокой температуры процесса цианирования.

Нитроцементацию осуществляют при температуре 840…860^оС в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака, иногда применяют жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С₂Н₅О)₃N, который в виде капель вводят в рабочее пространство шахтной печи. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1…10 часов. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм. После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160…180^оС.

По сравнению с цементированным, цианированный слой имеет более высокое сопротивление износу, большую твердость, лучшее сопротивление коррозии, более высокий предел выносливости в результате образования на поверхности остаточных напряжений сжатия.

Иногда детали нагревают в ваннах для цианирования без выдержки с целью получения товарного вида.

2.4.3.5 Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали разнообразными металлами.

При насыщении Al, Cr, Si, и др. этот процесс называется, соответственно, алитированием, хромированием, силицированием и др. Комбинированные процессы, которые заключаются в одновременном насыщении хромом, алюминием, бором и т. д., называют хромоалитированием, бороалитированием и т. д.

Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые растворы замещения. Поэтому при диффузионной металлизации слои получаются в десятки раз более тонкими.

Алитирование, т. е. диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов алюминием, осуществляется с целью повышения жаростойкости, коррозийной и эрозийной стойкости. В настоящее время алитированию подвергают углеродистые и легированные стали, чугуны, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, титан, медь и другие материалы. Наиболее распространено алитирование в порошковых смесях.

Смеси содержат: порошок алюминия или алюминиевосодержащие сплавы в качестве источников алюминия; порошок хлористого аммония или другого вещества в качестве активатора процесса; порошок окиси алюминия или каолина (в качестве инертных добавок, которые предотвращают спекание частиц алюминия и ферросплавов).

Один из составов насыщающей смеси: 49% Al, 49% Al₂O₃, 2% NHCl.

Детали, предварительно очищенные от следов окалины и других загрязнений, загружают в контейнеры, нагревают до температур 850...1000^оС и выдерживают в течение 3…12 часов для получения слоя толщиной от 0,3 до 0,6 мм. По окончании выдержки контейнеры с деталями охлаждают вместе с печью или на воздухе.

Поверхностная концентрация алюминия в зависимости от режима насыщения составляет 40…50%. При этом жаростойкость стали 10 при температуре 800^оС повышается в 15-20 раз, при 900^оС – в 7-10 раз, при 950^оС – в 5 раз. Твердость алитированного слоя плавно изменяется от поверхности к сердцевине – от Н₅₀ = 7350 до Н₅₀ = 1900 МПа.

Алитированные слои хорошо противостоят:

- коррозии в 50%-м водном растворе азотной кислоты, в парах соленой воды, однако неустойчивы в 50%-х водных растворах серной и соляной кислот;

- окислению при 900^оС даже после деформации в горячем состоянии;

- окислению и разрушению при многократном и кратковременном нагревании в восстановительной среде с промежуточным охлаждением на воздухе;

- износу при работе стали без смазочных материалов.

Хромирование проводят с целью повышения коррозионной стойкости, кислостойкости, окалиностойкости. При хромировании средне- и высокоуглеродистых сталей повышается их твердость и изностойкость.

Хромирование чаще всего производят в порошкообразных смесях, содержащих металлический хром или феррохром, окись алюминия и хлористый аммоний. Процесс осуществляется при температуре 1000…1050^оС в течение 6…15 часов с получением слоя толщиной 0,015…0,020 мм. При увеличении содержания углерода толщина слоя уменьшается.

При хромировании сталей образуется слой, состоящий из карбидов хрома (Fe,Cr)₇C₃, (Fe,Cr)₂₃C₆. Карбидный слой обладает высокой твердостью до 13 000МПа. Под слоем карбидов находится переходной слой с содержанием углерода до 0,8%.

Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей и т. п.

Борирование, т. е. насыщение поверхности стали бором осуществляется для повышения поверхностной твердости, износостойкости (главным образом абразивной) и теплостойкости. Глубина борированного слоя не превышает 0,15 мм, его поверхностная твердость доходит до 18 000 МПа. Борирование можно осуществлять в порошковых смесях, газовых и жидкостных средах.

Перед борированием детали очищают от следов окалины, ржавчины, масла и других загрязнений. Механическую обработку изделий, подлежащих борированию, необходимо проводить с учетом увеличения их размеров в процессе насыщения.

Борирование в порошковых смесях осуществляют в герметических контейнерах в смеси порошка карбида бора (В₄C) с добавлением 0,5…1% NH₄Cl при температуре 950…1000°С в течение 3…6 часов с последующим охлаждением с печью. Борированный слой состоит из 2 зон: зоны боридов – химических соединений железа с бором (FеB, Fе₂В) и переходной зоны – твердого раствора бора в железе. Борированный слой имеет характерное игольчатое строение. Легирующие элементы в сталях не образуют собственных боридов, а легируют бориды железа и уменьшают толщину переходной зоны.

Газовое борирование осуществляют путем разложения (при температуре процесса) газообразных соединений бора.

Оптимальными считаются температуры борирования при 800…950⁰С в течение 3…6 часов. По окончании процесса насыщения закалку целесообразно проводить непосредственно с температуры борирования.

Электролизное борирование проводят в расплаве буры при температуре 880…980^оС в течение 2…5 часов. По окончании выдержки детали из ванной выгружают и подвергают непосредственно закалке или охлаждению на воздухе. От остатков расплава детали очищают кипячением в воде.

Борирование из обмазок применяют при необходимости упрочнения крупногабаритных изделий или для местного борирования отдельных участков деталей. Применяют двухслойные обмазки: первый слой – активная обмазка (80% В₄Cl + 20% Na₃AlFe), второй слой – защитная обмазка с использованием графита. После просушки 1-ой и 2-ой прослойки обмазок проводят режим борирования при 800…1050⁰С в течение 2…4 часов, потом проводят закалку или охлаждение на воздухе или с печью.